JP3649321B2 - Articles including optical fiber devices - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は屈折率を変化させるためにコアの周囲に可変屈折率(VRI:variable reflactive index)領域を有する光ファイバ構造に関し、特に光学通信システムの可変減衰器を提供する光ファイバ構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバは、公知のものであり、現在の通信システムで多くのアプリケーションに用いられている。通常の光ファイバ通信システムを例えば図1Aに示す。このシステムは、光学信号源である送信機10と、この信号源に接続された光学パス12と、この光学パス12(通常、光ファイバ)に接続され、信号を受信する受信機14とを有する。増幅器16a,16bが送信された信号を増幅するために、光ファイバに沿って配置されている。フィルタおよび減衰器がこのシステムにとって様々な信号のパワーレベルを変化させるために有効であり、特に波長分割多重システムにおいては、信号の変調と波長のルーティングを行うために有益である。
【0003】
図1Aの光学パス12(通常、光ファイバ)は、ある屈折率を有する誘電体材料から形成された内側のコアとこのコアを包囲するクラッド層とを有する。クラッド層はコアよりも屈折率が低い材料で構成されている。コアの屈折率がクラッド層の屈折率以上である限り、コアに沿って伝播する光ビームは内部反射を繰り返し、そしてコアの長さ方向に沿って導波される。
【0004】
従来の光ファイバは、大部分の光をコア領域に閉じこめるため、このような従来の光ファイバにおいては、光ファイバのコア内に光の伝播を行うための機能は極めて限られていた。従来の光ファイバにおいては、コア内の光の伝播特性を変化させるため、あるいは信号を減衰させるためには、ある限られた構成が用いられている。通常、温度および/または歪みの変化を用いることである。
【0005】
これに関しては、米国特許第5,321,790号は、光ファイバを電極またはガスバーナーで加熱し、光ファイバを軸方向に圧縮して光ファイバに沿った光減衰部分を提供することにより形成した減衰器を開示している。光ファイバコネクタで使用される低屈折率の減衰装置は、米国特許第5,082,345号に開示されている。
【0006】
後者の特許は、伝送パスの端部あるいは光ファイバコネクタ内にディスク形状の減衰器部分を形成するために、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate,PMMA)の使用を開示している。この減衰器部分は−40dBの反射率を与え、これは多くのアプリケーションにおいては適したものではあるが、高性能の光ファイバシステムでは必ずしも最適なものではない。
【0007】
減衰量が制御可能な可変減衰器は、光ファイバの一部を回転させるあるいは動かすような可動部分を有する複雑な構造を有している。例えば、米国特許第5,745,634号は、可変減衰器を開示し、減衰量の変動は減衰器の一部をずらすようなdcモータを駆動することにより行っている。同様に米国特許第5,677,977号は、光ファイバの環状ループの一側にクランプされたロック可能な回転シャフトを用いることにより回転可能な光ファイバの環状ループを提供することにより減衰量の変動を得るような可変減衰器を開示している。
【0008】
米国特許第5,781,341号は、挿入損失を調整するためにコリメータを回転させるカムを使用することによる可変減衰器を開示している。米国特許第5,319,733号は、2本の終端した光ファイバをその端部を整合させて保持部材内に配置し、そして可変の減衰量を提供できるよう整合を維持しながら、この保持部材を互いに回転させるような可変減衰器を開示している。以上に説明したこれらの可変減衰器は、可動部分の使用を含む欠点がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
光学通信システムの発達および特に光ファイバ装置の発達と共に新たな減衰器の構想を含む新たな素子、設計が求められている。光学通信システムが進歩するにつれて、システムにより送信される波長の数が増加し、波長チャネルを変調し、フィルタ処理し、切り換えるような新たな方法および装置が求められている。したがって本発明の目的は、減衰機能を具備する光ファイバ装置の新たな構造を提供し、特に可動部分を含まない可変の減衰器を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項1に記載した特徴を有する。本発明の可変屈折率領域は、可動部分を用いずにある波長の光に対し可変の減衰量を与えることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1Bにおいて、本発明の光ファイバ装置20は光ファイバ通信システムの一部を含み、例えば送信機10と受信機14と、この送信機10と受信機14を接続光学パス12と、さらにまた光学パス12に沿って配置される増幅器16a,16bを有する。この光ファイバ装置20は、光学パスの領域の一部に配置され、そしてこの光ファイバ装置20を光学システムの一部として用いる。
【0012】
次に図2において、光の伝播モードを変更する光ファイバ光学装置は、ある長さの光ファイバ22を、減衰部分として1つあるいは複数の可変屈折率領域40を有するように構成することにより形成される。この「可変屈折率(VRI)領域」とは、コアまたはクラッド層の屈折率とは異なる屈折率を有する材料から構成され、そして屈折率が内部からあるいは外部からの何れかにより調節可能なものを意味する。
【0013】
この屈折率を変化させる例としては、可変屈折率領域の長さ形状または大きさの変動、あるいは可変屈折率領域の幅または長さの変動、あるいは可変屈折率領域に注入されるドーパントの濃度を変更することにより、および時間または温度のパラメータを変動させることにより、あるいは外部から加えられる電界または磁界および応力、温度のようなパラメータの変動により屈折率が変化する。
【0014】
減衰部分を具備しないある長さの光ファイバは、本明細書では標準の光ファイバ部分と称する。減衰部分が標準の光ファイバ部分と接合する界面領域は、本明細書では第1と第2の接続部24a,24bと称する。可変屈折率領域40は光ファイバの第1クラッド層30内にコア32に近接して配置される。本明細書において、「コアに近接する」とは、可変屈折率領域40の少なくとも一部がコアに十分近接し、その結果光がコアから可変屈折率領域40内に導波される領域を意味する。
【0015】
好ましくは、光ファイバの中心からコアに近接する可変屈折率領域40の外側端部までの距離は、モードフィールドの直径以下であり、コアに近接する距離はそのパラメータで決定される。この可変屈折率領域40は、これらの領域を形成するのに用いられる材料を適宜選択することにより変更できるような波長依存性の損失を生成する。
【0016】
この可変屈折率領域40は、最初に空隙を形成しその後でこの空隙を適宜選択した材料で充填するが、あるいはコアまたはクラッドの何れかの屈折率の濃度と異なる濃度でドーピングした材料で形成される。また、可変屈折率領域40は屈折率の増加勾配または減少勾配を生成させるために、その断面方向に沿って異なる材料でドーピングすることも可能である。ドーピング剤は、Ge,Al,B,P,Ga,Laおよび希土類元素の1つあるいは複数を含み、これらの材料については米国特許第4,666,247号に開示されている。
【0017】
減衰量は以下の方法により変化させることができる。例えば、可変屈折率領域40を構成する材料を変化させることにより、あるいは減衰領域の長さを変化させることにより、あるいは可変屈折率領域40を形成する感温性材料あるいはポリマーを用い、光ファイバを加熱または冷却することにより、あるいは可変屈折率領域40を結晶で形成し、減衰部分に隣接して電界または磁界をかけることにより(光ファイバの外部の電極により)、あるいはクラッド層の屈折率以上からコアの屈折率近傍あるいはそれ以上の範囲に亘って可変屈折率領域40の屈折率を変化させる方法により、あるいは他の材料の使用により行うことができる。
【0018】
この可変屈折率領域40は、光ファイバを引く抜く際に、光ファイバ内に組み込むことのできなかった材料で形成することができる。言い換えると、クラッド層を形成するのに用いることのない材料を用いて可変屈折率領域40を形成し、これによりこの可変屈折率領域40における材料の幅広い選択が可能となる。好ましくは、可変屈折率領域40の屈折率は、クラッド層またはコアの屈折率と同一でないのが好ましい。
【0019】
次に本発明の作用について説明する。可変屈折率領域40がクラッド層の屈折率と同一の屈折率を有する場合には何の効果もない。接続部24a,24bの挿入損失はあるが、その量は無視可能なものである。即ち0.5dB以下である。可変屈折率領域40の屈折率がクラッド層の屈折率より大きくなり、そしてコアの高屈折率に近づくにつれて、基本モードは拡散しその結果コアに沿った導波が弱くなり、挿入損失が増加する。
【0020】
可変屈折率領域40の屈折率が、クラッド層以上になると挿入損失はさらに大きくなる。可変屈折率領域40の屈折率が増加すると、光ファイバは可変屈折率領域40の位置,形状,大きさによりマルチモードとなる。マルチモードの光ファイバでは、可変屈折率領域40内でファイバに入る光は、マルチモードを引き起こし、このマルチモードは、標準のシングルモードファイバに対しデバイスの出力点で干渉を引き起こす。
【0021】
減衰器部分内では複数のモードが互いにビートしあい、接続部24a,24bに隣接する領域、例えば標準の光ファイバ部分の入口部分では、複数のモードが波長によって同位相(in-phase)または位相はずれ(out-of-phase)の何れかで再結合する。これらのモードが同位相で再結合する場合には、デバイス内での減衰量は非常に小さいが、複数の位相が位相はずれで結合する場合には減衰量が大きくなる。複数のモードが同位相あるいは位相はずれで結合するか否か(その結果の減衰量も)は波長に依存する。
【0022】
減衰器部分の長さは、100ミクロンから10cmの範囲内あるいはそれ以上長く、例えば1mに達することあるいはそれ以上になることもある。長い減衰器部分に対しては、大幅な減衰を示す波長間のスペースは短い減衰部分よりも小さい。上記したように減衰量は、可変屈折率領域40の組成物を変動することにより変化させることができる。かくして本発明の光ファイバ装置は、可変の挿入損失を生成することができる。
【0023】
図3において、光ファイバはコア32を有し、このコア32を少なくとも第1クラッド層30が包囲している。このコア32は、高屈折率の材料から形成され、SiO2:GeO2製のコアが用いられる。GeO2は屈折率を上げるために添加される。この屈折率は米国特許第4,666,247号に記載されたドーパントを使用して上昇させることができる。選択的事項として第2クラッド層34が第1クラッド層30を包囲してもよい。第2クラッド層34はコアの屈折率よりも低い屈折率材料で構成され、アンドープのシリケートガラスである。
【0024】
かくして層の屈折率はコアから第2クラッド層34に向かって徐々に小さくなるようにしている。しかし、第2クラッド層34の使用は本発明に必ずしも必須のものではない。必要によってはファイバを保護するために外側ポリマー層36を用いてもよい。
【0025】
コア32に隣接する第1クラッド層30内には、1つあるいは複数の可変屈折率領域が配置される。この屈折率変動領域の少なくとも1つが上記に定義したようなコア32に隣接して配置される。この可変屈折率領域は、光ファイバの寸法により様々な形状あるいは様々な厚さで形成される。この領域は、必ずしも対称である必要はなくこれにより製造条件が緩和される。
【0026】
例えば、VRI領域は、コア32の何れかの側に1つあるいは複数のアモルファス製ロッド42a、42bである(図3A)である。別法としてこの領域は、第1クラッド層30内に複数の非円形絶縁領域44a,44b,44c,44dである(図3B)。さらに他の実施例においては、VRI領域は、コアを同心状に包囲する非円形領域46(図3C)である。このVRI領域は、アモルファスで、形状をきっちりと規定する必要はなく、これにより特定の形状を得る製造条件が緩和される。
【0027】
一般的に環状またはディスク状のVRI(例、中心点のないパイ状の切り欠き)が好ましく、これにより製造ステップが容易となる。好ましくは、3個以上のVRI領域を用いるが、これらはきっちりと90度離れた異なる軸状にある必要はなく、これによりVRI領域に関連する基本モードの複屈折の可能性を低下させることができる。この周囲に複数の領域(例えば、3個から6個もしくはそれ以上)を具備する本発明の光ファイバの製造方法は、VRI領域を2個だけ有する光ファイバを製造するよりも難しくはない。
【0028】
VRI領域の製造は、クラッド層へのドーパントの選択的拡散あるいは選択的注入とドーピング技術を適用することにより得られる。これらの材料で形成したこれらの領域は、電界または磁界または温度に対し感受性を有し、例えば液晶またはある種のポリマー材料で形成され、その後VRI領域の屈折率は電界または磁界を選択的にかけることにより、あるいは光ファイバを加熱または冷却することにより調整可能である。
【0029】
減衰器部分を有する光ファイバ装置を製造する簡単な方法は、コアに隣接する長さ方向に沿って配置された空隙を有する光ファイバの一部を具備することである。屈折率変更オイル、例えば米国ニュージャージー州Cedar GroveのCargille Inc. 社により製造されているオイル、あるいは他の液体材料は、毛細管現象により空隙内に容易に取り込むことができる。
【0030】
別法として、毛細管現象が空隙内に気体を吹き込むのに十分でない場合には、真空ポンプを用いてもよい。いずれの場合にしても、接続部24a,24bに隣接する空隙の部分は、減衰器部分を標準の光ファイバ部分に接合するプロセスを容易にするために空洞のまま残しておくのがよい。固体の屈折率材料を用いてVRI領域を形成する場合には、光ファイバの製造プロセスの間このVRI領域を形成するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】A 光学通信システムを表すブロック図B 本発明の光ファイバ装置を含む光学通信システムのブロック図
【図2】本発明の一実施例の光ファイバ装置の長さ方向に沿った断面図
【図3】図2の線3−3に沿った断面の本発明の光ファイバ装置の他の実施例を示す断面図
【符号の説明】
10 送信機
12 光学パス
14 受信機
16a、16b 増幅器
20 本発明の光ファイバ装置
22 光ファイバ
24a 第1接続部
24b 第2接続部
30 第1クラッド層
32 コア
34 第2クラッド層
36 外側ポリマー層
40 可変屈折率領域
42a、42b アモルファス製ロッド
44a,44b,44c,44d 非円形絶縁領域
46 非円形領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber structure having a variable refractive index (VRI) region around a core for changing the refractive index, and more particularly to an optical fiber structure that provides a variable attenuator of an optical communication system.
[0002]
[Prior art]
Optical fibers are well known and are used in many applications in current communication systems. A typical optical fiber communication system is shown, for example, in FIG. 1A. The system includes a
[0003]
The optical path 12 (usually an optical fiber) of FIG. 1A has an inner core formed of a dielectric material having a certain refractive index and a cladding layer surrounding the core. The clad layer is made of a material having a refractive index lower than that of the core. As long as the refractive index of the core is greater than or equal to the refractive index of the cladding layer, the light beam propagating along the core repeats internal reflection and is guided along the length of the core.
[0004]
Since the conventional optical fiber confines most of the light in the core region, such a conventional optical fiber has a very limited function for propagating light in the core of the optical fiber. In the conventional optical fiber, in order to change the propagation characteristic of light in the core or to attenuate the signal, a limited configuration is used. Usually using temperature and / or strain changes.
[0005]
In this regard, US Pat. No. 5,321,790 was formed by heating an optical fiber with an electrode or gas burner and compressing the optical fiber axially to provide a light attenuating portion along the optical fiber. An attenuator is disclosed. A low refractive index attenuator used in fiber optic connectors is disclosed in US Pat. No. 5,082,345.
[0006]
The latter patent discloses the use of polymethylmethacrylate (PMMA) to form a disk-shaped attenuator portion at the end of the transmission path or within the fiber optic connector. This attenuator section provides a -40 dB reflectivity, which is suitable for many applications, but is not necessarily optimal for high performance fiber optic systems.
[0007]
A variable attenuator having a controllable attenuation amount has a complicated structure having a movable part that rotates or moves a part of an optical fiber. For example, U.S. Pat. No. 5,745,634 discloses a variable attenuator, and variation in attenuation is performed by driving a dc motor that shifts a part of the attenuator. Similarly, US Pat. No. 5,677,977 provides attenuation attenuation by providing a rotatable optical fiber loop by using a lockable rotating shaft clamped on one side of the optical fiber loop. A variable attenuator is disclosed that obtains variation.
[0008]
U.S. Pat. No. 5,781,341 discloses a variable attenuator by using a cam that rotates a collimator to adjust the insertion loss. U.S. Pat. No. 5,319,733 places two terminated optical fibers in a holding member with their ends aligned and maintains this alignment so as to provide variable attenuation. A variable attenuator is disclosed that rotates the members relative to each other. These variable attenuators described above have drawbacks including the use of moving parts.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
With the development of optical communication systems and particularly with the development of optical fiber devices, new elements and designs that include new attenuator concepts are being sought. As optical communication systems advance, the number of wavelengths transmitted by the system increases and new methods and apparatus are needed that modulate, filter, and switch wavelength channels. Accordingly, an object of the present invention is to provide a new structure of an optical fiber device having an attenuation function, and particularly to provide a variable attenuator that does not include a movable part.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention has the features set forth in claim 1. The variable refractive index region of the present invention can give a variable attenuation to light of a certain wavelength without using a movable part.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In FIG. 1B, an
[0012]
Next, in FIG. 2, an optical fiber optical device that changes the light propagation mode is formed by configuring a certain length of
[0013]
Examples of changing the refractive index include variation in the length shape or size of the variable refractive index region, variation in the width or length of the variable refractive index region, or the concentration of the dopant injected into the variable refractive index region. The refractive index changes by changing and by changing time or temperature parameters, or by changing parameters such as externally applied electric or magnetic fields and stress, temperature.
[0014]
A length of optical fiber that does not include an attenuating portion is referred to herein as a standard optical fiber portion. The interface region where the attenuation portion joins with the standard optical fiber portion is referred to herein as first and
[0015]
Preferably, the distance from the center of the optical fiber to the outer end of the variable
[0016]
The variable
[0017]
The amount of attenuation can be changed by the following method. For example, by changing the material constituting the variable
[0018]
The variable
[0019]
Next, the operation of the present invention will be described. If the variable
[0020]
When the refractive index of the variable
[0021]
Within the attenuator section, multiple modes beat each other, and in the area adjacent to the
[0022]
The length of the attenuator part may be in the range of 100 microns to 10 cm or longer, for example reaching 1 m or even longer. For long attenuator parts, the inter-wavelength space showing significant attenuation is smaller than the short attenuator part. As described above, the attenuation amount can be changed by changing the composition of the variable
[0023]
In FIG. 3, the optical fiber has a core 32, and at least the
[0024]
Thus, the refractive index of the layer gradually decreases from the core toward the second cladding layer 34. However, the use of the second cladding layer 34 is not necessarily essential to the present invention. If necessary, the
[0025]
In the
[0026]
For example, the VRI region is one or more
[0027]
Generally, an annular or disk-shaped VRI (eg, a pie-shaped notch without a center point) is preferred, which facilitates the manufacturing steps. Preferably, three or more VRI regions are used, but they need not be on different axes exactly 90 degrees apart, which may reduce the possibility of fundamental mode birefringence associated with the VRI region. it can. The method of manufacturing an optical fiber of the present invention having a plurality of regions (for example, 3 to 6 or more) around this is not more difficult than manufacturing an optical fiber having only two VRI regions.
[0028]
Fabrication of the VRI region is obtained by applying selective diffusion or selective implantation of dopant into the cladding layer and doping techniques. These regions formed of these materials are sensitive to electric or magnetic fields or temperature, for example formed of liquid crystal or some polymer material, and then the refractive index of the VRI region selectively applies the electric or magnetic field. Or by heating or cooling the optical fiber.
[0029]
A simple method of manufacturing an optical fiber device having an attenuator portion is to include a portion of an optical fiber having an air gap disposed along a length adjacent to the core. Refractive index changing oils, such as those manufactured by Cargille Inc. of Cedar Grove, NJ, USA, or other liquid materials can be easily incorporated into the voids by capillary action.
[0030]
Alternatively, a vacuum pump may be used if capillary action is not sufficient to blow gas into the gap. In any case, the gap portion adjacent to the
[Brief description of the drawings]
1 is a block diagram showing an optical communication system; FIG. 2 is a block diagram of an optical communication system including an optical fiber device of the present invention; and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the optical fiber device of the present invention in a cross section taken along line 3-3 in FIG.
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ある長さの光ファイバの所定の部分のコアに近接して前記クラッド層内に配置される少なくとも1つの可変屈折率領域を含み、前記可変屈折率領域の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きく前記コアの屈折率より小さくさせられることを特徴とする装置。A core made of a material having a predetermined refractive index, has a refractive index less than that of prior SL core optical fiber device and an optical fiber of a certain length and a cladding layer surrounding the core A device comprising:
Comprises at least one variable refractive index region is arranged close to the core of the predetermined portion of said length of optical fiber to the cladding layer, the refractive index of the variable refractive index region, before Symbol cladding layer An apparatus having a refractive index greater than that of the core and smaller than that of the core .
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